假设变质量质点的并入或分出微粒是连续发生的,而且这种质量的并入或分出是属于微粒和质点的接触作用,即微粒和质点并入或分出时发生碰撞而产生微粒速度的突变,从而使质点的速度发生连续的变化;并入或分出以后,作用也就停止。
牛顿第二定律原来只用于常质量物体的运动,但如在两个瞬时考察相同总质量的动量变化,也可用于变质量物体的运动。
设变质量质点的质量m是时间t的函数,即m=m(t)。在瞬时t,质点的质量为m(t),质点对于定坐标系Oxyz的速度为v(图1),即将与之合并的微粒的质量为dm(t)、其对Oxyz的速度为u。在瞬时t+dt,微粒与质点合并。于是质点的质量变为(m+dm),其对Oxyz的速度成为v+dv。对于质量分出的情况 (如火箭),则dm<0,即为
图示
负。
推导密歇尔斯基方程示意图
m和dm所组成的质点系在瞬时t的动量为mv+udm;在瞬时t+dt的动量为(m十dm)(v+dv)。在dt时 间内,动量的增加dp为:
dp=(m+dm)(v+dv)-(mv+udm)。
将上式展开并略去二阶微量,再根据牛顿第二定律,就得 到变质量质点的基本运动微分方程:
公式
式中vr=u-v是微粒相对于变质量质点的速度。若把 上式右端第二项记为Ф,就得:
公式
这是变质量质点的基本运动微分方程的另一种形式,是 俄国密歇尔斯基于1897年导出的,称为密歇尔斯基方程。式中F为外力,Ф具有力的量纲,称为反推力。对火箭(图2)来说,Ф就是射流施加在它尾部的推力T,即
公式
式中vx=u-v是射流相对于发动机的速度,由于
公式
推力T与相对速度为反向,故火箭在直线运动中的运动微分方程可写作:
公式
式中F包括诸如重力和空气阻力等外力。这方程表明,火箭由于发动机喷出微粒而受到推力T。
火箭运动受力图
设火箭在真空中运动时不受外力(图3),喷出微粒的相对速度vr的值力常数,其方向与 物体的速度v相反而共线。
取式(1)两端在x轴上的投影,得: